有一件事是肯定的:有些东西我们还不知道。多年来,科学家们一直在寻找“暗物质”或“暗能量”——根据我们目前对自然界中粒子和力的了解,我们无法解释主要的宇宙现象,比如为什么宇宙以越来越快的速度膨胀。
关于“暗能量”的新理论已经被提出。其中一个候选者是所谓的“对称场”,据说它像希格斯场一样遍布太空。在维也纳工业大学,研究人员开发了一种实验,能够在中子的帮助下测量极小的力。这些测量是在Laue-Langevin研究所的PF2超冷中子源上进行的为期100天的活动中进行的。它们本可以提供指向神秘对称的线索,但这些粒子没有出现。尽管这并不是该理论的终结,但它至少排除了在广泛的参数范围内存在对称的可能性——“暗能量”将不得不得到不同的解释。
对称子——希格斯玻色子的小兄弟?
据该项目的首席科学家哈特穆特·阿贝尔(Hartmut Abele)说,对称理论将是对暗物质的一个特别优雅的解释。“我们已经有了希格斯场的证据,而对称场是非常密切相关的。”然而,就像希格斯粒子一样,对称性的物理性质是无法准确预测的,直到该粒子的存在被证实后,人们才知道它的质量。
正如阿贝尔解释的那样,“没有人能说出对称的质量是多少,也没有人能说出它们与正常物质的相互作用有多强。”这就是为什么很难用实验证明它们的存在——或者它们的不存在。”对称的存在只能在一定的参数范围内得到证实或驳斥——即质量常数或耦合常数在特定的数值范围内的对称。
因此,科学家们小心翼翼地从一个实验到另一个实验,测试不同的参数范围。已经很清楚,可以排除一些范围。例如,具有高质量和低耦合常数的对称不可能存在,因为它们已经在原子水平上出现了。对氢原子的研究可能会得出不同的结果。同样,在一定范围内具有非常高耦合常数的对称也可以被排除,因为它们已经在使用大质量摆的其他实验中被发现了。
在劳厄-朗格万中子源研究所使用中子作为力传感器
也就是说,仍然有很大的空间承认对称的存在,这就是该团队现在在实验中研究的内容。一束极慢的中子被射入两个镜面之间。中子可以在两种不同的量子物理状态下被发现。这些状态的能量取决于施加在中子上的力,这就是为什么中子是如此灵敏的力探测器。如果作用在镜子表面上方的中子上的力与上面的力不同,这将是一个强烈的指向对称场存在的指针。来自维也纳工业大学的Mario Pitschmann,来自巴黎附近的CEA的Philippe Brax和来自格勒诺布尔LPSC的Guillaume Pignol计算了对称场对中子的影响。然而,这种效应是无法观察到的,尽管测量非常精确。
能量差测量的精度约为2 × 10^-15电子伏特(这一数字归功于冈瑟·柯南伯格的论文)。这是将一个电子在地球引力场中提升30微米距离所需要的能量,这是一个难以想象的小能量。
实验所需的超冷中子是由劳-朗格万研究所的PF2仪器产生和输送的。Tobias Jenke说:“PF2具有无与伦比的超冷中子通量,实际上是目前唯一一种以极低计数率进行高精度测量的仪器。”詹克在维也纳工业大学实验的发展中发挥了重要作用。他现在和彼得·格尔滕波特一起负责劳-朗格万冷中子源研究所。奥地利是该研究所的科学成员,因此可以使用该研究所的一套仪器。这个实验是奥地利和法国研究人员之间科学合作的一个极好的例子。
对称理论终结的开始
对于对称理论来说,目前的情况看起来不太乐观,尽管完全排除它们的存在还为时过早。“我们已经排除了一个广泛的参数域:如果在这个域中存在任何具有属性的对称,我们就会发现它们。”然而,为了堵住剩下的漏洞,科学需要更好的测量方法——或者一个重大发现,为暗能量之谜提供一个完全不同的解决方案。
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